광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 함병승 교수(광양자정보처리센터장)가 빛의 파동성을 입증해 빛의 양자성(비고전성)에 있어 불특정 입자성에 대한 반론을 제시했다.

양자역학에서 핵심이론인 '빛의 양자성'은 빛이 입자성과 파동성을 동시에 가지고 있다는 의미다.

▲ GIST 함병승 교수.

입자성이란 하나의 물질로서 다른 물질에 충돌하면 충돌된 물질을 움직이게 하는 운동에너지를 갖고 있다는 것이고, 파동성이란 빛의 에너지가 마치 물결처럼 일정한 굴곡을 형성하고 있어서 그 파장으로 인해 여러 가지 색깔을 나타내고 있다는 것이다.

기존 양자역학의 주류이론인 '빛의 비고전화(양자얽힘 등)'는 빛이 알갱이, 즉 특정 위상정보를 갖지 않는 입자로 이해됐다.

그러나 함 교수는 빛의 파동성(위상정보)이 빛의 비고전성(양자성)을 결정짓는 핵심원리가 됨을 입증해 미시세계에 국한된 양자역학을 거시세계로 확장할 수 있는 실마리를 제시했다.

함 교수는 빛의 반상관성이 단순히 태양 빛과 같은 불특정 입자쌍으로 구성된 광자쌍에서 나타나는 현상이 아니라, 광자쌍이 특정한 위상 관계를 가질 때 발현될 수 있음을 이론적으로 증명해 빛의 양자성은 빛의 파동성에 그 핵심원리가 있음을 제시했다.

광자쌍은 두 개의 빛 입자가 특정 위상, 편광, 파장 등에 있어 긴밀히 연결된 것을 의미한다.

GIST 측은 이번 연구로 약 100년 전 양자역학 태동기에 등장한 보어, 슈뢰딩거, 아인슈타인 등을 중심으로 한 일명 '코펜하겐 해석'을 재점화하는 기폭제가 될 것으로 기대된다고 내다봤다.

함 교수는 후속 연구로 광통신과 호환 가능한 조건 없이 안전한 고전 암호통신 방법과 현재 양자기술로 불가능한 고차 양자 상태구현에 관한 이론 논문을 제출하기도 했다.

함병승 교수는 "결론적으로 빛의 파동성은 레이저나 광통신 등 거시적 현상을 대표하는 고전역학과 다르지 않고, 거시상태에서도 빛의 양자성이 가능하게 됨을 예언할 수 있다"며 "이는 기존 양자역학의 지평을 넓히는데 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구 결과는 네이처(Nature) 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 2020년 4월 30일 자 온라인판에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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